Termodinamiğin Birinci Yasası

• 1. yasa enerjinin korunum yasasıdır.

• İç enerji E ve ısı Q kavramları dahil edildikten sonra enerjinin korunumu yasası doğanın evrensel bir yasası haline gelmiştir.

• Bir sistem içinde, mikroskobik seviyede sadece iç enerji değişebilir. Bu ısı veya iş yoluyla olabilir.

• 1.yasa ısı ve iş arasında ayrım yapmaz.

İç Enerji E

• Sisteme göre durgun bir referans sisteminden bakıldığında, mikroskobik bileşenlerin hareketleriyle ilgili enerjilerin toplamıdır.

E=Kö+Kd+Kt+U(r)

• İç enerji, sistemi oluşturan parçacıkların öteleme, dönme ve titreşim kinetik enerjileri ile parçacıklar arası etkileşme potansiyel enejilerinin toplamıdır.

Öteleme

Dönme

U(r)

Titreşim

sistem

Sisteme göre durgun ref. sis.

V

V

Isı Q

• Isı, sistemle çevresi arasındaki sıcaklık farkından dolayı kaynaklanan ve sistemin sınırlarını geçen enerji aktarımı olarak tanımlanır.

• İş ile mekanik enerji arasındaki fark, ısı ile iç enerji arasındaki fark gibidir.• İş, bir mekanik değişkenin değişmesi sonucu oluşan (ısı hariç) enerji

aktarımıdır.• Isı da iş gibi sistemin enerjisini değiştirmenin bir yoludur.• Isı ve iş sisteme ait olamaz, sistemin bir özelliği değildir.• Isı birimi Kalori (cal)• Caloric=Hayali akışkan• “1 g suyun sıcaklığını 14,5 oC den 15,5 oC’ye yükseltmek için gerekli ısıl

enerji 1 cal’dir.”• Calorie (Cal) gıdaların kimyasal enerji miktarıdır ve 1Cal=103 cal

Q

9000 btu

q British thermal Unit (btu) ingiliz ısı birimi, 1btu 1lb=4,45N suyun sıcaklığını 63 oF’dan 64 oF’a çıkarmak için gerekli enerji miktarıdır.

Isının Mekanik Eşdeğeri:

mgh T olduğu T. Joule tarafından bulunmuştur.“4.18 Joule mekanik enerji 1 g suyun sıcaklığını 14,5 oC den 15,5 oC’ye yükseltir.” 1 cal=4.18 Joule

h

m

Isı Sığası ve Özgül Isı

• Aynı miktardaki cisimlerin sıcaklıklarını aynı miktarda değiştirmek için gerekli enerji miktarı farklıdır.

1 kg su T=1 oC Q=418 J1 kg bakır T=1 oC Q=387 J

• Isı sığası C, bir cisim sıcaklığını 1 oC yükseltmek için gerekli enerji (ısı enerjisi) miktarıdır.

• Özgül ısı sığası c, birim kütle başına ısı sığası olarak tanımlanır.

• Molar ısı sığası c, mol başına ısı sığası olarak tanımlanır.

Su dolu bardak

İçi boş bardak

• T çok büyük değilse ısı sığası genellikle sıcaklıktan bağımsızdır ve Q=C T geçerlidir.

• C(T) ısı sığası sıcaklığın bir fonksiyonu ise

• Isı sıgası ayrıca hangi şartlarda ölçüldüğüne de bağlıdır. Örneğin

• Cp-sabit basınçta ısı kapasitesi

• Cv-sabit hacimde ısı kapasitesi

Q

T

T

Q

T

Q

Q

To

dTTCdQ )( dTTCQ )( dTTcmQ )( dTTcnQ )(

CT

Qegim

tan )(tan 0

0

TCdT

dQegim

TT

dTTCQsabitP P )( dTTCQsabitV V )(

• Katı ve sıvılarda Cp Cv

• Gazlarda CpCv

• Fırından yeni çıkmış bir peynirli pidenin, ekmek kısmı değil de peynir kısmı daha çok yanma hissi verir. Neden?

• Su ısı sığası en büyük olan maddelerdendir.

su cam demir

100 J 100 J 100 J

1 kg 1 kg 1 kg

TsTcTd Cs Cc Cd

?

Hal Değiştirme ve Gizli Isı• Madde ile çevresi arasında enerji alış-verişi sonucu maddenin yapısal durumunun

değiştiği ancak sıcaklığın sabit kaldığı durumlar vardır. Bu olaya faz/hal değişimi denir.

• 1. Dereceden faz değişimi• (Donma) Katı Sıvı (Erime)

• (Yoğuşma) Sıvı Gaz (Kaynama)• 2. Dereceden faz değişimi• Bir maddenin kristal yapısındaki değişim

• Katı () Katı ()

• Faz değişimi için gerekli enerji her madde için farklıdır. m kütleli bir maddenin faz değişimi için gerekli enerji Q ise, o maddenin faz/hal değiştirme ısısı/gizli ısı

Genellikle Lb Le

Katı Sıvı Gaz PlazmaErime

Donma

Buharlaşma

Yoğuşma

İyonlaşma

deionization

LeLb

Katı BağUk

Sıvı BağUs

Ug0

Le Lb

+

+

Lp

TmcQ

mLQ

Çevresiyle tamamen yalıtılmış iki cisim arasında ısı yolu ile enerji alış-verişi olura enerji korunumuna göre

alinanverilen QQ T TQT1

T2Isıl denge

Kalorimetri yöntemi katı ve sıvıların ısı kapasitelerinin ölçümünde kullanılan yöntemdir.

xbilinen QQ

)()( xxxsss TTcmTTcm

Termometre

Karıştırıcı

Su

Isı sığası bilinmeyen madde

Kalorimetri kabı

Hava

Yalıtkan kapak

İş • Bir sistemin durumu P, V,T,E gibi değişkenlerle açıklanır.• Bir sistemin makroskobik durumu (P, V,T,E,...) ancak sistem kendi iç

dengesine ulaşmışsa belirlenebilir.

• Yarı durgun (quasi statik) süreç, sistemin her an dengede olduğu süreçtir. Yarıdurgun süreç o kadar yavaş gerçekleşir ki sistemin iç dengesi bozulmaz.

V

P

(P, V, T)

Tersinmez süreç

Tersinir süreç

Tersinir/geri dönüşümlü (reversible) süreç, çevresinde hiçbir değişiklik yaratmadan tam olarak başlangıç durumuna geri dönebilen süreçtir.

Tersinir süreç enerji kaybının ve yapısal bir bozulmanın olmadığı sonsuz sayıda yarı durgun değişimlerden oluşur.

)/1( Vp

• İş bir sistemle çevresi arasında sıcaklık farkından bağımsız olan yollarla enerji aktarma olayıdır.

• Akışkanlarda hacim değişiminden kaynaklanan iş:

x

y

z

Gazın yaptığı iş

dV0 W0

dV0 W0

dV=0 veya Pdış=0 W=0

FA

yyAV

x

• İş bilinirse ancak iş hesaplanabilir. ( tersinir süreç)

• Örneğin T=sabit ideal gaz

Vi

Vs

V

P

s

i

W

)(VfP

VnRTP

1)(

• W1W2W3

V

P

s

i

W1

V

P

s

i

W2

V

P

s

i

W3

V

P

s

i

• W1 0

• W2 0

• Net işW=W1 + W2 0

“İş takip edilen yola bağlıdır”

İşin yaygın biçimi• Daha yaygın olarak iş, sistem üzerine etki eden herhangi bir kuvvet

tarafından yapılabilir:• fi-i. Kuvvet dxi-sonsuz küçük değişim

• Kimyasal iş dN • -kimyasal potansiyel• N-parçacık sayısı• Esneklik kuvvetlerin yaptığı iş• Lineer fdl • f-lineer gerilim, l-boy• Yüzeysel dA • -yüzey gerilim, A-yüzey• Elektrik kuvvetlerin yaptığı iş• dq -elektrik potansiyel, q-sistemin yükü

• EdP E-elektrik alan, P-plarizasyon• Manyetik iş• HdM H-manyetik alan, M-magnetizasyon

• Benzer şekilde ısı da değişimin nasıl gerçekleştiğine bağlı olarak değişir.

s

i

P dTTCQsabitP )(1 s

i

V dTTCQsabitV )(2

Örneğin ideal gaz

Ti

Ts

P

V

21 QQ

• Isı banyosu enerji verdiği veya aldığı zaman sıcaklığı değişmeyen çok büyük sistem.

ISI BANYASU T

T

ISI BANYASU T

T

İzotermal genleşme

Q

W0

Q 0

Pdış=0

Serbest genleşme

V

P İ

s

W=0 Q =0

W1 W2 W3 ve Q1Q2Q3

•Ancak Q1-W1=Q2-W2=Q3-W3

“ısı ve iş yola bağlı olmasına karşın Q-W yoldan bağımsızdır.” Q-W sadece ilk ve son duruma bağlıdır Buna iç enerjideki değişim E denir.V

P İ

s

1

3

2

.

Termodinamiğin Birinci Yasası

WQE • “Bir sistemin iç enerjisi sadece iş ve ısı yolu ile değişebilir.”

• “I. yasa tüm işlemlere uygulanabilen evrensel bir kanundur.”• İç enerji E, sıcaklık, basınç ve hacim gibi sisteme aittir, sistemin bir özelliğidir ve

sistemi oluşturan parçacıkların hareketleri ile ilgili enerjidir.

dWdQdE

dV < O dW < O dE 0dV O dW O dE < 0dT O dQ O dE 0dT < O dQ < O dE < 0